Помощь студентам в учебе
Анализ термодинамики рабочего процесса бензинового двигателя с добавками водорода
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1 Изучение литературы для выявления и оценки влияния добавления
водорода в рабочий процесс ДВС 8
Глава 2 описание оборудования и проведение экспериментальных исследований 45
ГЛАВА 3 Обзор проведенных экспериментальных исследований с целью оценки влияния водорода на термодинамику рабочего процесса ДВС 49
Глава 4 Выявление возможностей повышения эффективности ДВС путем добавления водорода в топливную смесь 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
ГЛАВА 1 Изучение литературы для выявления и оценки влияния добавления
водорода в рабочий процесс ДВС 8
Глава 2 описание оборудования и проведение экспериментальных исследований 45
ГЛАВА 3 Обзор проведенных экспериментальных исследований с целью оценки влияния водорода на термодинамику рабочего процесса ДВС 49
Глава 4 Выявление возможностей повышения эффективности ДВС путем добавления водорода в топливную смесь 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
Из-за быстрорастущего количества автомобилей в мире, необходимо решение энергоэкологических проблем. Это приводит к необходимости постоянного поиска решений по улучшению и совершенствованию автомобильных двигателей.
В настоящее время известно, что значительная часть мирового потребления энергии приходится на автомобильный транспорт. Мировой автопарк насчитывает более 800 миллионов автомобилей, на долю которого приходится половина всех вредных выбросов в атмосферу, а в крупных городах этот показатель достигает 85-90 %. Очевидно, что личный
автомобиль по-прежнему будет оставаться основным видом индивидуального транспорта. Это же утверждение справедливо и для России. Стоит ожидать некоторого увеличения использования автобусов, рельсового транспорта и некоторых других видов общественного транспорта, но создание легковых и грузовых автомобилей с высокими показателями топливной экономичности, в свою очередь, может послужить причиной значительного снижения заинтересованности в развитии указанных видов общественного транспорта. Кроме того, свобода, предоставляемая личным автомобилем, будет по-прежнему оставаться важным элементом жизни нашего общества. Предполагается, что к 2022 году в Российской Федерации количество личных автомобилей возрастет в 2-2,5 раза и составит 20-25 единиц на 100 человек.
Увеличивающийся рост автопарка выявил ряд проблем в его использовании. Вопросы надежного энергоснабжения, контроля вредных выбросов и образование парниковых газов вышли на передний план. Необходимость в чистом воздухе, чистой воде, экологически чистых источниках энергии, биоразлагающихся и возобновляемых, становится актуальной не только для промышленно развитых регионов и стран, но и для России. В итоге, решение данных проблем может привести к более активной разработке и использованию возобновляемых источников энергии. Актуальным становится и вопрос многообразие энергетических носителей для автотранспорта. Также очевидно, что решение многих проблем возможно только через усовершенствование и ввод энергосберегающих и экологически чистых технологий на транспорт и применение экологически чистых топлив.
Сейчас практически в каждой промышленно развитой стране проводятся обширные исследовательские работы автопроизводителей и научных организаций в области создания наиболее приемлемых с точки зрения экологичности, высокой эффективности, низких издержек производства и значительных запасов новых видов моторного топлива. В США, Европе, Японии и других странах развернулись крупномасштабные работы по исследованию применения водорода в качестве моторного топлива. Также исследуются метанол, биогаз, синтез-газ, диметил эфир и другие виды альтернативного топлива. Но на данный момент ни один из вышеперечисленных видов топлива, по тем или иным причинам, прежде всего по экономическим, не могут составить конкуренцию традиционному топливу. В настоящее время в плане улучшения экологической ситуации в городах при минимальных финансовых затратах очевидно, что только газомоторное топливо может стать реальной альтернативой жидкому нефтяному топливу.
Наиболее существенное преимущество водорода по сравнению с другими альтернативными видами топлива - это разновидность производственных ресурсов, таких как ядерные энергия, биомасса, возобновляемые источники энергии, обычные виды топлива и так далее. С 70-х годов прошлого века, автостроителей привлекает использование водорода в качестве добавки к топливу. Данная научно-исследовательская работа приводит анализ влияния добавки водорода в углеводородовоздшную смесь бензинового двигателя. В данной работе представлен анализ положительных и отрицательных сторон данного процесса.
Цель работы заключается в анализе влияния добавления водорода в бензиновый двигатель и как это повлияет на экономию бензина, увеличение мощности и полному сгоранию топлива.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
Провести оценку влияния водорода на углеводородовоздшную смесь бензинового двигателя.
Выявить возможность повышения эффективности ДВС за счет добавления водорода
Объект исследования: ДВС с искровым зажиганием.
Предмет исследования: процесс сгорания топливо-воздушной смеси с добавлением водорода.
Методы исследования.
Метод экспериментального исследования, метод статистической обработки результатов эксперимента и моделирования рабочего процесса.
Достоверность полученных результатов исследования обусловлена большим объемом экспериментов, анализом статей других авторов и их опыта, применением методов статистической обработки данных.
Научная новизна исследования.
Выявлена возможность повышения эффективности ДВС путем добавления водорода в топливную смесь.
Практическая значимость работы.
Добавление водорода может улучшить характеристики топливной смеси, улучшить, повысить эффективность двигателя и повысить его мощность.
На защиту выносятся:
1. оценка влияния водорода при добавлении в рабочий процесс ДВС
2. выявление возможностей повышения ДВС за счет добавления водорода в процесс сгорания топлива.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» и на студенческой конференции в 2020 и 2021 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 1 печатная работа.
Структура и объем диссертации.
Диссертации состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 15 наименований. Работа изложена на 71 странице машинописного текста, иллюстрированного 7-ю таблицами и 38 рисунками.
В настоящее время известно, что значительная часть мирового потребления энергии приходится на автомобильный транспорт. Мировой автопарк насчитывает более 800 миллионов автомобилей, на долю которого приходится половина всех вредных выбросов в атмосферу, а в крупных городах этот показатель достигает 85-90 %. Очевидно, что личный
автомобиль по-прежнему будет оставаться основным видом индивидуального транспорта. Это же утверждение справедливо и для России. Стоит ожидать некоторого увеличения использования автобусов, рельсового транспорта и некоторых других видов общественного транспорта, но создание легковых и грузовых автомобилей с высокими показателями топливной экономичности, в свою очередь, может послужить причиной значительного снижения заинтересованности в развитии указанных видов общественного транспорта. Кроме того, свобода, предоставляемая личным автомобилем, будет по-прежнему оставаться важным элементом жизни нашего общества. Предполагается, что к 2022 году в Российской Федерации количество личных автомобилей возрастет в 2-2,5 раза и составит 20-25 единиц на 100 человек.
Увеличивающийся рост автопарка выявил ряд проблем в его использовании. Вопросы надежного энергоснабжения, контроля вредных выбросов и образование парниковых газов вышли на передний план. Необходимость в чистом воздухе, чистой воде, экологически чистых источниках энергии, биоразлагающихся и возобновляемых, становится актуальной не только для промышленно развитых регионов и стран, но и для России. В итоге, решение данных проблем может привести к более активной разработке и использованию возобновляемых источников энергии. Актуальным становится и вопрос многообразие энергетических носителей для автотранспорта. Также очевидно, что решение многих проблем возможно только через усовершенствование и ввод энергосберегающих и экологически чистых технологий на транспорт и применение экологически чистых топлив.
Сейчас практически в каждой промышленно развитой стране проводятся обширные исследовательские работы автопроизводителей и научных организаций в области создания наиболее приемлемых с точки зрения экологичности, высокой эффективности, низких издержек производства и значительных запасов новых видов моторного топлива. В США, Европе, Японии и других странах развернулись крупномасштабные работы по исследованию применения водорода в качестве моторного топлива. Также исследуются метанол, биогаз, синтез-газ, диметил эфир и другие виды альтернативного топлива. Но на данный момент ни один из вышеперечисленных видов топлива, по тем или иным причинам, прежде всего по экономическим, не могут составить конкуренцию традиционному топливу. В настоящее время в плане улучшения экологической ситуации в городах при минимальных финансовых затратах очевидно, что только газомоторное топливо может стать реальной альтернативой жидкому нефтяному топливу.
Наиболее существенное преимущество водорода по сравнению с другими альтернативными видами топлива - это разновидность производственных ресурсов, таких как ядерные энергия, биомасса, возобновляемые источники энергии, обычные виды топлива и так далее. С 70-х годов прошлого века, автостроителей привлекает использование водорода в качестве добавки к топливу. Данная научно-исследовательская работа приводит анализ влияния добавки водорода в углеводородовоздшную смесь бензинового двигателя. В данной работе представлен анализ положительных и отрицательных сторон данного процесса.
Цель работы заключается в анализе влияния добавления водорода в бензиновый двигатель и как это повлияет на экономию бензина, увеличение мощности и полному сгоранию топлива.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
Провести оценку влияния водорода на углеводородовоздшную смесь бензинового двигателя.
Выявить возможность повышения эффективности ДВС за счет добавления водорода
Объект исследования: ДВС с искровым зажиганием.
Предмет исследования: процесс сгорания топливо-воздушной смеси с добавлением водорода.
Методы исследования.
Метод экспериментального исследования, метод статистической обработки результатов эксперимента и моделирования рабочего процесса.
Достоверность полученных результатов исследования обусловлена большим объемом экспериментов, анализом статей других авторов и их опыта, применением методов статистической обработки данных.
Научная новизна исследования.
Выявлена возможность повышения эффективности ДВС путем добавления водорода в топливную смесь.
Практическая значимость работы.
Добавление водорода может улучшить характеристики топливной смеси, улучшить, повысить эффективность двигателя и повысить его мощность.
На защиту выносятся:
1. оценка влияния водорода при добавлении в рабочий процесс ДВС
2. выявление возможностей повышения ДВС за счет добавления водорода в процесс сгорания топлива.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» и на студенческой конференции в 2020 и 2021 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 1 печатная работа.
Структура и объем диссертации.
Диссертации состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 15 наименований. Работа изложена на 71 странице машинописного текста, иллюстрированного 7-ю таблицами и 38 рисунками.
В данной работе были рассмотрены и проанализированы способы и технологии, используемые в автомобильных водородных силовых агрегатах. Одним из наиболее важных аспектов альтернативных видов топлива является их плотность энергии, которая зависит не только от самого топлива, но и от системы хранения. Чем он выше, тем больше диапазон автомобилей. В настоящее время все водородные транспортные средства на рынке используют сжатый водород. Это происходит главным образом потому, что недостатки альтернатив слишком значительны. Жидкий водород должен храниться при очень низких температурах и дегазироваться из-за поступления тепла из окружающей среды. Гидриды металлов имеют очень высокую плотность энергии при работе при более высоких температурах. Однако выделение — водорода-это эндотермическая реакция, которая требует много тепловой энергии. Потенциальным преемником хранилища водорода под давлением являются углеродные наноматериалы. Они имеют более чем в два раза большую плотность энергии, но для поддержания этой плотности энергии в течение, по крайней мере, сотен циклов зарядки требуются более фундаментальные исследования. Для преобразования химической энергии водорода в механическую энергию можно использовать либо водородный топливный элемент в сочетании с электрическим двигателем, либо водородный двигатель внутреннего сгорания. В то время как прежний силовой агрегат имеет более высокий КПД (54 против 41%) и легче (152 против 193 кг), водородный двигатель внутреннего сгорания может быть изготовлен с использованием оборудования из двигателей на ископаемом топливе, поскольку основные компоненты очень похожи. Кроме того, водородный двигатель внутреннего сгорания имеет более длительный ожидаемый срок службы, чем топливный элемент, что приводит к значительно более низким эксплуатационным расходам (0,58 против 2,62 евро/ч). Хотя эти цифры только оцениваются производителями двигателей, независимые испытания водородных двигателей внутреннего сгорания 64
показали лишь очень незначительный износ. В результате дорогостоящих батарей, используемых в настоящее время, оба водородных концепта дешевле и легче, чем электромобиль (3,91 евро/ч и 326 кг), который, в свою очередь, имеет самый высокий КПД (86%). Еще одним большим недостатком батарей является аспект утилизации, который по-прежнему сталкивается с серьезными проблемами.
Вывод исследования этих технологий трансмиссии заключается в том, что нет четкого решения на будущее. Однако, основываясь на имеющейся сегодня информации, стоит инвестировать больше усилий в исследования водородных технологий. В частности, водородный двигатель внутреннего сгорания может обеспечить переход от автомобилей на ископаемом топливе к двигателям, работающим на возобновляемых источниках энергии. Еще одним важным аспектом альтернативных видов топлива являются варианты дозаправки. В то время как электромобили можно заряжать в течение ночи в доме владельца, в настоящее время эта опция не существует для водородных транспортных средств. Была исследована возможность использования солнечной энергии для мелкомасштабного местного производства водорода. Хотя серьезных технических проблем нет, а солнечные панели действительно обеспечивают дешевую электроэнергию, электролиз и сжатие водорода в небольших масштабах недостаточно эффективны, чтобы конкурировать с водородом, который производится в больших масштабах путем парового риформинга метана. Как только эффективность мелкомасштабного производства водорода и процесса сжатия будет повышена, он может стать экономически жизнеспособным вариантом.
С учетом вышеизложенного можно сделать следующие выводы по использованию водорода в топливных смесях двигателя внутреннего сгорания:
1. Результаты экспериментов на грузовых и легковых автомобилях подтвердили принципиальную возможность сокращения использования жидкого топлива, повышения энергоэффективности двигателя внутреннего сгорания и снижения токсичности их выхлопных газов в крупном городе за счет частичного добавления водорода в бензиновую смесь. Так, в режиме имитации городского цикла вождения потребление энергии было снижено на 2,4- 5,6%, а бензин заменен на 8-17%. Токсичность выхлопных газов в установившихся условиях в стендовых условиях была снижена на компоненты с 17-96%).
2. Без внесения существенных изменений в конструкцию двигателя можно добиться значительного снижения массы систем подачи и хранения водорода на борту автомобиля за счет установки электролизера и его компонентов.
показали лишь очень незначительный износ. В результате дорогостоящих батарей, используемых в настоящее время, оба водородных концепта дешевле и легче, чем электромобиль (3,91 евро/ч и 326 кг), который, в свою очередь, имеет самый высокий КПД (86%). Еще одним большим недостатком батарей является аспект утилизации, который по-прежнему сталкивается с серьезными проблемами.
Вывод исследования этих технологий трансмиссии заключается в том, что нет четкого решения на будущее. Однако, основываясь на имеющейся сегодня информации, стоит инвестировать больше усилий в исследования водородных технологий. В частности, водородный двигатель внутреннего сгорания может обеспечить переход от автомобилей на ископаемом топливе к двигателям, работающим на возобновляемых источниках энергии. Еще одним важным аспектом альтернативных видов топлива являются варианты дозаправки. В то время как электромобили можно заряжать в течение ночи в доме владельца, в настоящее время эта опция не существует для водородных транспортных средств. Была исследована возможность использования солнечной энергии для мелкомасштабного местного производства водорода. Хотя серьезных технических проблем нет, а солнечные панели действительно обеспечивают дешевую электроэнергию, электролиз и сжатие водорода в небольших масштабах недостаточно эффективны, чтобы конкурировать с водородом, который производится в больших масштабах путем парового риформинга метана. Как только эффективность мелкомасштабного производства водорода и процесса сжатия будет повышена, он может стать экономически жизнеспособным вариантом.
С учетом вышеизложенного можно сделать следующие выводы по использованию водорода в топливных смесях двигателя внутреннего сгорания:
1. Результаты экспериментов на грузовых и легковых автомобилях подтвердили принципиальную возможность сокращения использования жидкого топлива, повышения энергоэффективности двигателя внутреннего сгорания и снижения токсичности их выхлопных газов в крупном городе за счет частичного добавления водорода в бензиновую смесь. Так, в режиме имитации городского цикла вождения потребление энергии было снижено на 2,4- 5,6%, а бензин заменен на 8-17%. Токсичность выхлопных газов в установившихся условиях в стендовых условиях была снижена на компоненты с 17-96%).
2. Без внесения существенных изменений в конструкцию двигателя можно добиться значительного снижения массы систем подачи и хранения водорода на борту автомобиля за счет установки электролизера и его компонентов.